DE2311488A1

DE2311488A1 - Verfahren zur herstellung eines waermeaustauschers fuer heliumstroeme mit einer temperatur unter 2 grad k, und gemaess diesem verfahren hergestellter waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2311488A1
Application number: DE19732311488
Authority: DE
Inventors: Johannes Van Esdonk; Jan Leendert Melse; Adrianus Pieter Van Mosselaer; Adrianus Petrus Severijns; Frans Adrianus Staas
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-03-11
Filing date: 1973-03-08
Publication date: 1973-09-13
Also published as: FR2175804B1; GB1424812A; FR2175804A1; US3823457A; JPS492140A; NL7203268A

Description

PHN. 6195.

kts/rv.

Dr. H.r^rtSchbra 231 1488

Pa-c.Uamvall ,

Anmelde: fcJ.Y.Pmiipö Cio^ita^cuubriekBU

Akte No., PHIf- 6195
Anmeldung vomt η _m Mär Z 1973

"Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers for Heliumströme mit einer Temperatur unter 2^eK, und gemäss diesem Verfahren hergestellter Wärmeaustauscher."

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers, der sich zum Warmeautausch zwischen zwei Heliumströmen im Temperaturbereich unter 2°K eignet und zwei Endplatten aufweist, die je mit einer Zufuhröffnung für einen der Ströme und einer Ableitungsöffnung für den anderen Heliumstrom versehen sind, wobei sich zwischen diesen Endplatten eine Stapelung weiterer Platten befindet, die vier quer zur Plattenrichtung verlaufende durchgehende Kanäle enthält, die sich paar-

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weise an die erwähnten Offnungen in den Endplatten anschliessen und ferner mehrere getrennte sich im wesentlichen in der Plattenrichtung erstreckende Parallelkanäle begrenzen, die sich ab-

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wechselnd an zwei der durchgehenden Kanäle anschliessen» · . -■'■.:■.

Ein Wärmeaustauscher der beschriebenen Art? jedoch ---.-nicht für so tiefe Temperaturen wie sie bei Heliumstr8men auf- ■ treten, ist bekannt aus der Deutschen Offenlegungsschrift 1 501 669. Dieser bekannte Wärmeaustauscher ist bestimmt zum Kühlen hochviskoser Medien wie Quark. Der Wärmeaustauscher weist denn auch erhebliche Abmessungen auf und ist auch weiter von sehr robustem Bau.

Der Wärmeaustauscher, auf die sich das Verfahren gemäss der Erfindung bezieht, ist für den Austausch von Wärme zwischen zwei Heliufflstromeh bei Temperaturen unter 2°K bestimmt. Bei diesen sehr niedrigen Temperaturen erfolgt der Wärmeaustausch im wesentlichen durch den Austausch von Phononen (quantisierten Atomschwingungen). Da die Schallgeschwindigkeiten im Helium und in einer Metallwand stark verschieden sind, ist der Brechungsindex für Phononen im Helium somit viel grosser als in der Metallwand. Dies hat für Phononendurchtritt aus dem Helium zur Wand eine hohe Reflexion zur Folge« Der Wärmeaustausch zwischen dem Helium und der Metallwand ist infolge des Auftretens dieses Oberflächenwiderstandes sehr schlecht. Um dennoch bei diesen niedrigen Temperaturen einen ausreichenden Wärmeaustausch zu erhalten, nahm man bisher seine Zuflucht zur Verwendung von Wärmeaustauschern mit sehr grossen Flachen. Es sind z.B. zu diesem "Zweck Wärmeaustauscher bekannt, die aus einem Kupferblock bestehen, in dem zwei Kammern ausgespart sind, die &it zusammengesinterten Kupferkugeln gefüllt sind. Diese Kammern werden in die Heliumströme eingeschaltet, die Wärme austauschen sollen.

Diese Wärmeaustauscher arbeiten nicht zufrieden-

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stellend infolge ihrer grossen Abmessungen, die lange Abkühlungs— zeiten der Kältemaschinen, in denen sie Anwendung finden, herbeiführen.

Das Verfahren gemass der Erfindung bezweckt, einen Wärmeaustauscher mit erheblich besserem Wärmeaustausch, aussergewohnlich niedrigem Strömungswiderstand und kleinem Bauminhalt zu schaffen. Zu diesem Zweck ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenstapel aus einer Vielzahl sehr dünner Metallfolien derartiger Abmessungen besteht, dass die Stärke der Trennwände zwischen den Kanälen 2 bis 10 /um beträgt und die Diekenabmessung der Kanäle zwischen 40/um und 100/um liegt, wobei während der Stapelung der Folien wenigstens an der Stelle, an der sich jeder der parallelen Kanäle an einen durchgehenden Kanal anschliesst, ein Stützglied mit der gleichen Dickenabmessung wie die der Parallelkanäle angebracht wird, das aus einem Metall besteht, das nachher mit Hilfe einer Spülflüssigkeit, welche die Folien nicht angreift, selektiv beseitigt werden kann, wonach die Endplatten gut gegen den Folienstapel gedrückt werden und das Ganze eine Temperaturbehandlung erfährt, bei der die Folien durch Löten oder Diffundieren aneinander geheftet werden, wonach der gebildete Wärmeaustauscher mit der erwähnten Spülflüssigkeit durchspült wird und die Stützglieder beseitigt werden.

Bei dem nach dem Verfahren gemäss der Erfindung

hergestellten Wärmeaustauscher werden Folien sehr geringer Stärke benutzt, die dennoch vakuumdicht sind. Bei der sehr geringen Stärkeabmessung der Trennwand (2 bis 10 mm) können nunmehr die Phononen infolge zweier auftretender Effekte, d.h. des Phononentunneleffekts

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und des Weglängeneffekts, diese Trennwand leicht durchdringen. Durch diese Effekte ergibt sich eine überraschende Verbesserung des Wärmeaustausches. Ferner hat der erhaltene Wärmeaustauscher ein geringes Volumen und einen niedrigen Strömungswiderstand.

Bei der Herstellung ist es schwierig, die- Folien

vakuumdicht aneinander zu heften. Dieses Heften kann durch Löten, in welchem Falle die Folien mit einer Lotschicht versehen werden müssen, oder durch Diffusion erfolgen. In beiden Fällen müssen die Folien fest gegeneinander gedruckt werden. An den Stellen, an denen die Parallelkanäle mit dem Durchgang in Verbindung stehen, kann dieses Zusammenpressen nicht gut erfolgen, so dass sich dort das Problem ergibt, dass infolge des mangelhaften Andrückens Undichtigkeiten auftreten.

Dieses Problem wird dadurch beseitigt, dass gemäss der Erfindung wenigstens an diesen Stellen je ein Stützglied angeordnet wird, das die Kraftübertragung besorgt. Dieses Stützglied besteht dabei aus einem Metall, das nachher durch eine Spülflüssigkeit weggeätzt werden kann, ohne dass die Folien angegriffen werden. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr gute Haftung der Folien.

Nur tritt, wenn die Folien aneinander gelötet werden, manchmal das Problem auf, dass das Lot am Stützglied vorbeifliesst, so dass ein Abschluss erfolgt, der nachher den Durchfluss der Spülflüssigkeit verhindert.

Um diesen Nachteil zu beheben, wird bei einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsfora des Verfahrens gemäss der Erfindung jedes der anzubringenden Stützglieder voa einem gegebenenfalls aus mehreren Teilen aufgebauten Halmen gebildet* der sich längs des

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ganzen Innenrandes des betreffenden Parallelkanals erstreckt.

Es hat sich herausgestellt, dass ein derartiger Rahmen ein etwaiges Einfliessen des LÖtmaterials in die Kanäle völlig verhütet, so dass keine Verstopfungen mehr auftreten.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung wird jede Folie dadurch hergestellt, dass man auf einer geeigneten Unterlage elektrochemisch eine Schicht mit einer Stärke von weniger als 5/um aufwachsen lässt, wobei die für die durchgehenden Kanäle bestimmten Stellen zunächst mit einem Lack bedeckt werden, wonach eine weitere Lackschicht an den Stellen angebracht wird, an denen sich der Parallelkanal erstreckt und sich die durchgehenden Kanäle weiter erstrecken, wonach ein weiteres Aufwachsen der Folie bis zu einer Stärke zwischen 40/um und 100 mm erfolgt.

Bie Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Einzelteile eines Wärmeaustauschers auseinandergesprengt.

Fig. 2 zeigt den Wärmeaustauscher der Fig. 1 im betriebsfertigen Zustand.

Die Fig. 3 und 4 zeigen, wie die Abstützglieder als Hilfe beim Zusammenbau benutzt werden können.

Die Fig. 5 und 6 zeigen schematisch, wie eine Folie hergestellt werden kann.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Wärmeaustauschers. Dieser hat zwei Endstücke 1 und 2, die je mit einer Zufuhröffnung 3 bzw. 4 für einen Heliumstron und einer Ableitöffnung

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bzw. 6 versehen sind. Zwischen den Endplatten 1 und 2 befindet sich ein Stapel 7 aus Kupferfolien. Diese Kupferfolien sind teilweise dichte Folien 8 mit einer Stärke von etwa 2/um und teilweise Folien

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9 mit einer rechteckförmigen Öffnung. Die Offnungen 10, 11, 12 und

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13 bilden vier durchgehende Kanäle, die sich an die Öffnungen 3» 4» 5 bzw. 6 in den Endplatten anschliessen.

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Die rechteckförmigen Öffnungen in den Folien 9 bilden Parallelkanäle 14 und 15» von denen sich die Kanäle 14 an die durchgehenden Kanäle 10 und 13 und die Kanäle 15 an die durchgehenden Kanäle 11 und 14 anschliessen. Auf diese Weise ergibt sich eine Wärmeaustauschergestaltung mit Parallelkanälen für den einen Heliumstrom und Parallelkanälen für den anderen Heliumstrom.

Zum Aneinanderheften der Endplatten und Folien können zwei Terfahren Anwendung finden, d.h«, Löten und Diffundieren.

In beiden Fällen ist es erforderlich, sämtliche Folien kräftig gegeneinander zu drücken. Dies gelingt auf dem ganzen Umfang mit Ausnahme der Stellen 16, weil sich dort drei Folienteile befinden, die von einem Kanalteil begrenzt werden, An dieser Stelle kann somit keine Kraftübertragung erfolgen, so dass die Gefahr von Undichtigkeit gross ist.

Um diesen Nachteil zu beheben, kann, wenn die Folien durch Diffusion aneinander befestigt werden, an den Stellen 18 je ein Stützglied 20 angeordnet werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Infolgedessen können die Folien nunmehr auch an den Stellen 16 fest gegeneinander gedrückt werden. Bei der dann durchgeführten Wärmebehandlung werden auch an diesen Stellen die Folien gut durch Diffusion zusammengeheftet.

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Wenn die Folien aneinander angelötet werden, in

welchem Falle die Folien 9 vorher mit einer Lotschicht überzogen worden sind, werden die Stützglieder zweckmässig auf die in Fig. 4 dargestellte Weise als Rahmen 22 ausgebildet, der sich längs des ganzen Innenrandes des betreffenden Parallelkanals erstreckt. Dieser Rahmen hat dabei den grossen Vorteil, dass ein Einfliessen von Lot in die Kanäle völlig verhindert wird, so dass keine Verstopfung dieser Kanäle auftreten kann. TJm an den Stellen 18 eine gute Kraftübertragung zu gewährleisten, ist der Rahmen 22 dort mit einer derartigen Verdickung 23 versehen, dass nur ein enger Schlitz übrigbleibt.

Sowohl die Stützglieder als auch die Stützrahmen sind dabei z.B. aus Flusseisen oder Aluminium hergestellt, d.h. aus Materialien, die nach der Diffusion bzw. nach dem Lötvorgang mittels einer Säure oder Lauge beseitigt werden können. Deshalb ist es wichtig, dass die Säure bzw. Lauge hindurchgespült werden kann» so dass die Stützglieder bzw. Stützrahmen den Durchgang nicht völlig verschliessen dürfen.

Nachdem all diese Bearbeitungen durchgeführt worden sind, ergibt sich ein Wärmeaustauscher von der in Fig. 2 dargestellten Form. Er zeichnet sich durch seine guten Wärmeaustauscheigenschaften, kleinen Rauminhalt und geringen Strömungswiderstand aus. Ferner ist durch die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens der Wärmeaustauscher sehr zuverlässig und frei von Undichtigkeiten.

Die Zahl der Parallelkanäle, in denen die HeliuastrSme im Wärmeaustausch sind, lässt sich beliebig in Abhängigkeit von den umlaufenden Heliumströmen und dem jeweiligen Temperaturbereich wählen.

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Häufig werden 100 oder mehr Kanäle Anwendung finden.

Wie bereits eingangs ausgeführt wurde, ergibt sich durch die Verwendung sehr dunner Trennwände zwischen den Kanälen und des infolgedessen auftretenden Phononentunneleffektes und des Weglängeneffektes ein sehr guter Wärmeaustausch bei niedrigen Strömungswiderstand und kleinem Rauminhalt.

Beim Wärmeaustauscher nach Fig. 2 finden im Stapel

zwei Arten von Folien Verwendung und zwar dichte Folien mit einer

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Stärke von etwa 2/um und mit einer Öffnung versehene Folien mit einer Stärke von etwa 40/um. Es hat sich denn auch als uüSglich erwiesen, Folien herzustellen, bei denen diese beiden Arten kombiniert sind. Ihre Herstellung ist schematisch in den Figuren 5 und 6 dargestellt.

Auf einer Messingplatte 30 werden zunächst an den

Stellen 311 32, 33 und 34 Lackschichten angebracht. Dann lässt man elektrochemisch eine Kupferschicht 35 bis zu einer Sicke von etwa 2/um aufwachsen. Anschliessend wird eine Lackschicht 36 angebracht, wonach man die Kupferschicht bis zu etwa 40/um weiter aufwachsen lässt.

Mit diesen Folien wird die Zahl der Lot- bzw.

Diffusionsverbindungen zwischen den Folien auf die Bälfte herabgesetzt.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE :

ί 1y Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers,

der sich zum Wärmeaustausch zwischen zwei Heliuaströmen im Temperaturbereich unter 2°K eignet, mit zwei Endplatten, die je mit einer Zufuhröffnung für einen der Ströme und einer Ableitungsöffnung für den anderen Heliumstrom versehen sind, wobei sich zwischen diesen Endplatten ein Stapel aus weiteren Platten befindet, der vier quer zur Plattenrichtung verlaufende durchgehende

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Kanäle enthält, die sich paarweise an die erwähnten Offnungen in den Endplatten anschliessen und weiter mehrere voneinander getrennte sich im wesentlichen in der Plattenrichtung erstreckende Parallelkanäle begrenzen, die sich abwechselnd an zwei der durchgehenden Kanäle anschliessen, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenstapel von mehreren sehr dünnen Metallfolien mit derartigen Abmessungen gebildet wird, dass die Stärke der Trennwände zwischen den Kanälen 2 bis 10/ura beträgt und die Dickenabmessung der Kanäle ·. zwischen 40/um und 100/um liegt, wobei während der Aufeinanderstapelung der Folien wenigstens an der Stelle, an der sich jeder der Parallelkanäle an einen durchgehenden Kanal anschliesst, ein Stützglied mit der gleichen Dickenabmessung wie die der Parallelkanäle angebracht wird, das aus einem Metall besteht, das nachher mittels einer Spülflüssigkeit, welche die Folien nicht angreift, selektiv beseitigt werden kann, wonach die Endplatten fest gegen den Folienstapel gedrückt werden und das Ganze eine Temperaturbehandlung erfährt, bei der die Folien durch Löten oder Diffusion aneinander geheftet werden, wonach der so gebildete Wärmeaustauscher mit der erwähnten Spülflüssigkeit

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durchspült wird und die Stützglieder beseitigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dass sich insbesondere

dann zur Anwendung eignet, wenn die Folien durch eine Lötverbindung miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der anzubringenden Stützglieder die Form eines gegebenenfalls aus mehreren Teilen bestehenden Rahmens hat, der sich längs des ganzen Innenrandes des betreffenden Parallelkanals erstreckt« 3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Folien dadurch hergestellt wird, dass man auf einer geeigneten Unterlage elektrochemisch einer Folie mit einer Stärke von weniger als 5/um aufwachsen lässt, wobei die Stellen für die Offnungen der durchgehenden Kanäle mit einem Lack abgedeckt sind, wonach eine weitere Lackschicht an den Stellen angebracht wird, an denen "sich der Parallelkanal erstreckt und sich die durchgehenden Kanäle weiter erstrecken, wonach man die Folie weiter bis zu einer Stärke zwischen AO mm. und 100 /um aufwachsen lässt.

4· Gemass dem Verfahren nach einem oder mehreren der

vorstehenden Ansprüche hergestellter Wärmeaustauscher.

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